與戰略營銷總裁 Maury Wood 的問答

在本次問答中，我們將探討電流倍增與解耦轉換級。這兩項技術均突破了傳統多相方案的局限性，並顯著降低了高需求負載下的 I²R 熱損耗。

為 AI 處理器供電並非一項簡單的供電設計任務，而是當今最具挑戰性的電源工程難題之一。傳統的多相穩壓方案在電流增益與電流密度兩個維度上均存在不足，而這兩者對於高功率負載而言均至關重要。

48V 分比式電源架構（FPA）的概念基礎非常簡單。然而，這種同時實現高電流密度與高電流增益的設計創新，則獨具匠心。

在以下書面採訪中，All About Circuits 與 Vicor 戰略營銷副總裁 Maury Wood 探討了 FPA 技術。

分比式電源架構的工作原理

All About Circuits：分比式電源架構將 DC-DC 電源轉換分為兩個功能級——先穩壓，後變壓。 而業界標準的中間母線架構（IBA）則先進行變壓，再進行穩壓。 為何 FPA 優於 IBA？

Vicor：晶圓級與面板級AI超級處理器所需電流可達 30 至 40kA TDA，採用 48V 供電網路（PDN）作為負載點 （PoL）DC-DC 轉換器的輸入，可帶來顯著優勢。 在 FPA 架構中，PoL 轉換器即為電壓轉換模組或電流倍增模組。48V PDN 的電流消耗僅為 12V PDN 的四分之一，為 6V PDN 的八分之一。

根據歐姆定律，功率損耗的計算公式為電流平方與載流走線或導線電阻的乘積。 這意味著，12V PDN 與 6V PDN 的功率損耗分別為 48V PDN 的 16 倍與 64 倍。 對於需要 30 至 40kA 電流的 AI 超級處理器負載而言，此類熱損耗之高，已令人難以接受。

如圖 1 所示，分比式電源架構相較於多相方案具有三大優勢：降低中間母線 PCB 發熱； 允許背置解耦電容緊貼負載放置； 以及使前端穩壓級可在 PCB 上實現，而無需承受過重的熱管理負擔。

All About Circuits：變壓模組（VTM）是一種固定比率轉換器，這意味著它並不對電壓進行穩壓，而是按照其設計所確定的固定比率對電壓進行降壓（變換），並對電流進行倍增。那麼，穩壓是如何實現的？

Vicor：穩壓由上游的降壓或升降壓穩壓模組完成，該模組根據 K 因數與負載的目標電壓，將供給 VTM™ 的電壓精確穩定在設定水准。例如，若 K 因數為 1/48，目標負載電壓為 1V，則 VTM 的輸入電壓將被精確穩壓在 48V。

All About Circuits：AI 處理器對瞬態回應規格有著嚴苛的要求。 Vicor 的 FPA 架構如何應對這些需求？

Vicor：Vicor 最新一代 48V FPA 技術支援極快的瞬態回應，這得益於其專有的超高頻寬控制環路，該環路充分利用了 VTM 電流倍增器的獨特特性。經量測，其瞬態回應時間小於 100 納秒。

 
應對垂直供電的挑戰

All About Circuits：由於為最新一代AI處理器供電需要極高的電流，為降低電路板或基板的供電損耗，業界提出了垂直供電（VPD）方案。 FPA 架構如何應對 VPD 的挑戰？

Vicor：一流的 VPD 方案需要滿足兩項至關重要的規格名額方能實現最優供電：電流增益與電流密度。若這兩項名額無法同時達到高水准，則必須做出權衡取捨，這會導致滑軌（AI加速器託盤）、機架乃至資料中心的功率損耗顯著攀升。

Vicor 的電流倍增器可實現 5A/mm² TDC（連續電流）與 10A/mm²（峰值電流）的電流密度，以及高達 60 倍的電流增益。 此外，由於 VPD 模組安裝在處理器下方，熱量在此處局部集中，還面臨顯著的機械與熱管理挑戰。Vicor 的電流倍增器厚度僅為 1.5mm，熱阻為 0.3°C/W，這進一步簡化了其在AI訓練與推理系統設計中的應用。

電流密度與電流增益的這種組合之所以至關重要，其覈心原因在於：電流倍增器可與 PCB 背面的去耦電容共置。如此一來，48V FPA 架構所帶來的熱損耗减少優勢便得以完整保留。 

All About Circuits：在 AI 加速器 VPD 應用中，為何電流增益與電流密度如此重要？

Vicor：首先來看電流增益。多相 TLVR 穩壓解決方案通過對輸入電壓進行平均來為處理器負載點供電。 該電壓通常為 12V，在 VPD 應用中則為 6V，旨在提高電流密度。採用具有更低 RDS（ON）值與更低 I²R 損耗的低壓 FET，可獲得更高的輸出電流及更高的電流密度。

以一個 20kW 的晶圓級或面板級AI超級處理器為例，其核心供電軌 VDD 為 0.6V，所需電流達 33333A，而 6V 中間母線需導通約 3333A 的電流。若在負載點採用 48V 變壓模塊電流倍增器，則可將該電流降至可控的 417A。

假設 PCB 或基板阻抗為 200μΩ，48V FPA 的損耗為 35W。相比之下，6V IBA 方案的損耗高達 2.2kW——後者是前者的 64 倍。
 
這些電流倍增器的連續輸出電流（TDC）為 600A，且後續規劃將進一步提升至更高水准。高輸出電流可最大程度减少 PCB 背面所需的 VPD 模組數量。

高電流密度轉換器有助於簡化佈局擺放並减少效能約束。電流倍增器具有 5A/mm² 的電流密度和較高的瞬態回應頻寬，可放置在加速器 PCB 背面至關重要的旁路電容區域。而 6V 多相解決方案的電流密度較低，僅為 2A/mm²，在提供相同總電流的情况下需佔用更大的布板面積，通常會擠佔關鍵的旁路電容位置，迫使設計人員採用相對較高的堆疊式電源模組來集成這些電容。這進而帶來了機械裝配與熱管理設計方面的挑戰。

最終的效率收益

All About Circuits：從 6V 多相 TLVR 方案轉向採用電流倍增技術的 48V FPA 方案，預計可對 AI 工廠的績效或電源使用效率（PUE）帶來多大程度的改善？

Vicor：與 6V 多相 TLVR 架構相比，48V FPA 所節省的熱損耗可將 AI 工廠的整體電源使用效率提升數十個基點（1 個基點為 0.01%）。

吉瓦級 AI 工廠預計將於明年初投入使用。 假設典型起始 PUE 為 1.20，若改善 50 個基點（降至 1.15），則可節省約 21.7 兆瓦的電力。 這相當於在同一市政電力採購協定下，可額外新增 20 個機架的 AI 算力。

該方案將 48V 電壓直接送至處理器負載點，從而最大程度减少大電流供電鏈上的熱損耗。 經年累月，這些 I²R 損耗的降低，將累積為電力運營支出（OPEX）的顯著縮減。

All About Circuits：綜上所述，採用 48V 分比式電源架構為 AI 工廠中的處理器供電，其最重要的理由是什麼？

Vicor：我們的 FPA 方案將 48V 電壓直接送至處理器負載點，最大程度减少了大電流供電鏈上的熱損耗。 從運營者的角度來看，I²R 熱損耗减少可實現更高的資料中心計算密度，進而轉化為更高的投資回報率（ROI）、效能更優的 AI 處理器、更出色的瞬態回應效能以及更簡便的熱管理。

Maury Wood 現任 Vicor 戰略市場行銷部副總裁。在加入 Vicor 之前，Maury 曾在各種光纖測試與電晶體公司擔任過高級職務，包括 EXFO、AFL、博通、恩智浦、模擬器件以及賽普拉斯等。 他畢業於密歇根大學，獲電子工程學士學位，並在美國東北大學、巴布森學院和麻省理工學院完成了研究生學業。Maury 喜歡攀岩、野外滑雪、山地騎行以及爵士貝斯演奏。

Maury Wood，戰略營銷總裁